煤层底板采动效应与阻水性能的岩体结构控制机理

The research work carried out systematically under the guidance of rock engineering geomechanics theory, aimed at coal floor of Shanxi Formation in the mining area in northern Anhui，based on characteristics of floor water invasion of high-pressure confined karstic water and the shortage of water inrush danger assessment. Through the study of coal floor rock petrology and rock mechanical properties,geological characteristics of rock structure to determine the type of floor rock structure and establish floor rock engineering geological mechanical model. The seismic wave CT technology was used to in-situ test deformation failure characteristics of floor Strata under coal-mining, simulation test of similar materials and numerical simulation adopted to study coupling of ground stress field, ground-water seepage field and mining stess field of different rock mass structure mining effect to analyse zonation of floor damage, revealing the rock mass control mechanism of floor mining deformation. Boring water injection was used to in situ test of floor rock preventing water, combined with triaxial permeability test to determine the preventing water strength index of floor rock and mining rock, in order to establish the assessment model of capacity of floor rock preventing water under mining and perfect assessment system of water inrush danger to provide a scientific basis of mining under water pressure and water prevention engineering design.

以皖北矿区山西组煤层底板为研究对象，针对高承压岩溶水体上煤层底板突水灾害特点，基于煤层底板突水危险性评价存在的不足，以岩体工程地质力学理论为指导，系统地开展研究工作。通过对煤层底板岩体岩石学及岩石力学特性、岩体结构地质特征的研究，确定底板岩体结构类型，建立底板岩体工程地质力学模型；运用震波CT测试技术对底板岩层的采动变形破坏特征进行原位探测，采用相似材料模拟技术和数值分析方法，对不同岩体结构底板的采动效应进行地应力场、地下水渗流场和采动应力场耦合作用的系统研究，分析底板破坏的分带性，揭示底板采动变形破坏的岩体结构控制机理。采用钻孔压水方法对底板岩体的阻水性能进行现场测试，并结合室内三轴渗透试验，确定底板岩层及采动岩体的阻水强度指标，建立煤层开采状态下底板岩层的阻水能力评价模式，完善底板突水危险性评价体系，为煤矿安全带水压开采及防治水工程设计提供科学依据。

本项目以皖北矿区为研究对象，从基础地质研究出发，以钻探和物探为手段，采用理论分析、实验室试验、数值模拟、相似材料模拟、现场测试等研究方法，系统地开展了研究区山西组煤层底板岩体结构、太灰含水层介质空间结构、注浆参数与工艺优化、底板采动效应、注浆效果检验与评价方法等研究，并应用于生产实际。创新并提出了煤层底板岩层分类方法，对研究区矿井底板的岩性—结构类型进行了划分，为底板阻水能力与带压开采可行性评价提供了地质指标；建立了研究区太灰岩溶含水介质空间结构溶孔—溶管网络型、溶隙—溶孔网络型、裂隙—溶隙网络型和单一裂隙网络型等四种类型，为底板改造注浆参数与工艺优化提供了地质依据；建立了淮北矿区山西组煤层底板岩体工程地质力学模型，共两大类六个亚类，即：完整层状结构底板（软—硬—软型、硬—软型及软硬相间型）和非完整结构底板（底板中含裂隙模型、含切穿煤层断层模型及底板含隐伏陷落柱模型）；揭示了煤层底板采动效应和阻水效应的岩层结构控制机理和含断裂构造底板采动活化突水机理；研制了一种较大尺寸的三维固流耦合相似模拟试验系统，定量分析了裂隙岩体中承压地下水和注浆浆液压力的相互作用过程；提出了底板加固与含水层改造注浆参数和工艺优化方案，建立了底板高承压岩溶水体煤层开采水害防控技术体系，为底板注浆加固与含水层改造控水开采技术提供了理论支撑。项目研究与生产实际相结合，边研究、边施工、边总结，有效地指导了煤矿安全生产，取得了显著的经济效益和社会效益。项目研究期间，共发表学术论文49篇，出版专著2部，授权发明专利1项、实用新型专利3项，获省部级科技奖4项，培养博士研究生7人、硕士研究生13人、博士后1人；参加国内国际学术会议27人次。项目研究成果不仅为煤矿安全带压开采煤层底板突水预测及其水害防治工程设计提供了科学依据，而且丰富了工程地质学与采动岩体结构力学理论内涵，具有较高的学术价值和应用价值。